CC BY
196повышенных температур, при которых органические молекулы неизбежно разлагаются. Например, шариковой обкаткой мы пролегировали сталь молекулами тефлона. В результате ее поверхность приобрела водоотталкивающие свойства. Важно подчеркнуть, что динамическое внедрение позволяет формировать композиции из веществ, которые в равновесных условиях несовместимы. Такого типа легирование может производиться скользящим по поверхности наноиндентором, формируя нанорисунки заданных геометрий и составов. В работе приводятся примеры использования химико-деформационной методики для восстановления изношенных трением медных контактных проводов электротранспорта, антикоррозионной защиты и снятия термонапряжений сварных швов, антиобледенительной обработки алюминиевых проводов электропередач.
СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК МЕТОДОМ CVD В РЕАКТОРЕ К ПСЕВДОКИПЯЩИМ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА
Есболов1 Н.Б. молодой ученый, Терюкалова2 Н.В., Смагулова1'2 Г.Т.
1- РГП на ПВХ «Институт проблем горения» КН МОН РК, Алматы,
Казахстан
2-Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы,
Казахстан www. kaznu. kz. ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2018-10052
Последние годы интенсивно развивается новое направление науки и техники - нанотехнология, которая позволяет создавать новые материалы и структуры, обладающие принципиально новыми свойствами. Особый интерес среди таких структур представляют углеродные нанотрубки (УНТ) и нановолокна (УНВ). В настоящее время получение углеродных нанотрубок вызывает большой научный и практический интерес благодаря своим уникальным структурным, механическим и электронным свойствам [1].
Из свойств углеродных нанотрубок следует отметить рекордно высокий модуль упругости, прочность, высокая стойкость к химическим реагентам, и высоким температурам, уникальные электронные свойства: от диэлектриков до углеродных нанотрубок с металлической проводимостью. Нанотрубки, как одномерные проводники, считаются перспективными объектами для создания различного рода электронных устройств, которые могут служить элементной базой молекулярной электроники. Еще одна особенность углеродных нанотрубок связана с их уникальными сорбционными характеристиками. УНТ являются
структурами с развитой поверхностью, в которой заключена основная ее масса. Расстояние между графитовыми слоями в многослойной углеродной нанотрубке близко к соответствующему значению для кристаллического графита (0.34 нм). Таким образом, УНТ и УНВ могут рассматриваться как уникальная емкость для хранения веществ, находящихся в газообразном, жидком, либо твердом состоянии [2]. Композиционные материалы на основе УНТ уже нашли применение в самых значимых, наукоемких отраслях: машиностроение, атомная энергетика, авиация и космонавтика, военно-промышленный комплекс, строительство и др.
Для синтеза углеродных нанотрубок используются каталитические методы. Часто катализатор представляет собой комплекс матрицы и активных фаз. Катализаторами являются частицы на основе переходных металлов или их соединений, таких как соли и оксиды и являются наиболее эффективными в процессе синтеза углеродных нанотрубок. В качестве матриц для катализатора используются кремниевые пластины [6], аэрогели, кварц, мезопористый кремний [7]. Углеродные предшественники разлагаются на каталитической наночастице, углерод диффундирует через каталитическую наночастицу и образует УНТ. Выбор матрицы для катализаторов, ее структура предопределяет свойства конечного продукта. Создание новых каталитических систем с различными активными фазами и матрицами позволяет получать углеродные нанотрубки с различной морфологией и свойствами.
В работе [8] представлены данные по крупномасштабному производству углеродных нанотрубок. Анализ в [9] показывает, что спрос на УНТ постоянно растет, и обладает самым быстрорастущим спросом на рынке. В 2014 году общий объем производства углеродных нанотрубок составил 1053 млн. долларов США, а среднегодовой темп роста составил 58,9 %. Объемное производство углеродных нанотрубок для промышленного применения начался в начале 1990-х годов, Hyperion Catalysis International, Inc. (Кембридж, Массачусетс) начал широкомасштабное производство МУНТ. Эта компания имеет широкий спектр патентов на синтез и применение нанотрубок и нановолокна углерода. Исследовательский институт углеродных нанотехнологий (CNRI), дочерняя компания Mitsui&Co., Ltd., планирует ежегодно заниматься разработкой технологий для производства 120 тонн МУНТ. Другие компании, такие как Applied Sciences, Inc. (API) и Showa Denko (SDK) имеют крупномасштабную производственную мощность для МУНТ с широким распределением диаметров в диапазоне от 70 до 200 нм.
Одностенные углеродные нанотрубки обладают уникальными физико-химическими свойствами, модуль Юнга составляет от 320 до 1470 ГПа [10], прочность на растяжение - 150 ГПа, теплопроводность - 2000 Вт/м-К для многослойных углеродных нанотрубок - модуль Юнга - 1200 ГПа, предел прочности при растяжении - 150 ГПа [11]. Результаты измерений показывают, что удельное сопротивление углеродных нанотрубок может широко варьироваться от 5,1-106 до 0,8 Ом/см [12]. Теплопроводность отдельной однослойной углеродной нанотрубки составляет 6600 Вт/м-К и >3000 Вт/м-К для отдельной многослойной
углеродной нанотрубки [13]. Из-за высокой плотности тока (109 А-см-2), которую можно пропускать через одностенные углеродные нанотрубки, они считаются многообещающим материалом для замены меди и алюминия в интегральных схемах. Многослойные углеродные нанотрубки обладают сверхпроводимостью со сравнительно высокой температурой перехода [14].
УНТ могут быть получены различными способами: электролизом, дуговым разрядом, лазерной абляцией, сонохимическим методом, гидротермическим синтезом, химическим осаждением из паровой фазы (горячая нить, водяной пар, кислородная, микроволновая плазма, радиочастотная, термическая плазма). Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, возникающие в результате различных результатов роста, что предопределяет определенные свойства углеродных нанотрубок.
Анализ литературных данных [16] показывает, что структура и морфология углеродных нанотрубок, получаемых методом CVD зависят от следующих параметров процесса: температуры, давления, состава газа, катализатора. Существует много областей практического применения углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки уже нашли свое применение в вакуумной микроэлектронике, системах хранения энергии в композитах, датчиках [17, 18], нанозондах, усилении лопаток турбин, радиочастотных составляющих, покрытий и т.д. [19, 20].
Изучив рынок производителей углеродных нанотрубок в странах СНГ, можно отметить, что массовое производство МУНТ налажено только в России. ООО «НаноТехЦентр» производит углеродные нанотрубки с чистотой 95 %, под торговыми марками «Таунит», «Таунит-М», «Таунит-МД», с диаметрами от 8 до 80 нм, цена за 1 г - 120-150 рублей (696-870 тенге, 2-2,6 $). В Казахстане же нет налаженного производства углеродных нанотрубок, следовательно, данный сегмент рынка в настоящее время свободен. Отсутствие углеродных нанотрубок на рынке сдерживает развитие многих областей науки и техники, углеродные нанотрубки могли бы стать основой для разработки новых материалов или улучшения свойств уже имеющихся материалов и продуктов.
Анализ литературы показывает, что в зарубежных лабораториях, синтез углеродных нанотрубок в реакторе с псевдокипящим слоем катализатором реализуется на высоком уровне только в лаборатории проф. Noda S. (Waseda University, Япония). Группа проф. Noda S. Получает в массовом количестве многослойные углеродные нанотрубки с чистотой 99,6 % с диаметром 6,5 нм и длинной несколько миллиметров. Полученные углеродные нанотрубки, сотрудники лаборатории проф. Noda S. использует для создания электродов суперконденсаторов, литий-ионных батарей и в микроэлектронике [21, 22]. В лаборатории проф. Noda S. в качестве основы катализаторов используются SiO2-сферы с диаметром 0,3-1 мм, на который послойно наносятся нанометровый слой алюминия с толщиной 5 нм путем разложения паров изопропоксида алюминия и железа с толщиной 1 нм путем разложения паров пантакрабонила железа. Последовательно наносят 5 слоев, что позволяет непрерывно проводить 5 синтезов, соответственно.
Были проведены исследования по синтезу углеродных нанотрубок в реакторе с псевдокипящим слоем катализатора. Была изготовлена лабораторная установка по синтезу УНТ с псевдокипящим слоем катализатора (рисунок 1). На рисунке 1 представлена схема установки для синтеза УНТ с вертикальным CVD-реактором, в котором обеспечивается процесс псевдокипящего синтеза. Структура данной установки аналогична структуре горизонтального CVD-реактора. Кварцевая трубка (рабочая камера) оснащена пористой керамической перегородкой, которая фиксирует область псевдо-кипения подвижного слоя. CVD-реактор состоит из вертикально расположенной печки (1) и кварцевой трубки (2) вдоль ее оси, стрелками указаны направление потока транспортных газов водорода, азота и ацетилена (3).
Рис.1. Принципиальная схема установки CVD-реактора для синтеза УНТ с
псевдокипящим слоем катализатора.
В качестве катализатора были использован М порошок с диаметром частиц до 50 нм, исходный газ - ацетилен, время синтеза - 20 мин, температура синтеза -780 - 810 °С, масса катализатора - 4 г. Результаты исследований (таблица 1) показали, что за 1 синтез образуется в среднем 1,1 г МУНТ с диаметром 20-30 нм. После 5-го синтеза активность катализатора падает на 40 %. Полученные углеродные нанотрубки были исследованы методами сканирующей, электронной микроскопии и Раманвской спектроскопии.
Таблица 1. Условия синтеза и выход УНТ.
№ Расход N2, см3/мин Расход C2H2, см3/мин Масса kat, г Время синтеза, мин Т 0С синтеза Масса УНТ, г
1 946 95 3,9 20 780 1,1
2 946 95 3,50 20 780 0,9
3 946 95 3,4 20 780 0,8
4 946 95 2,32 20 780 0,64
Список литературы:
1. De Voider M.F.L., Tawfick S.H., Baughman R.H., Hart A.J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications // Science. - 2013. - Vol. 339. - P. 535-539 // DOI: 10.1126/science.1222453.
2. Forró L., Schönenberger Ch. Carbon nanotubes, materials for the future // Europhys. News. - 2001.
- Vol. 32, № 3. - P. 86-90.
3. Riemenschneider J., Mahrholz T., Mosch J., Monner H.P. and Melcher J. Carbon nanotubes - smart material of the future: Experimental investigation of the system response // II ECCOMAS thematic conference on smart structures and materials: Materials and Processes. - Lisbon, Portugal, 2005. - P. 18-25.
4. Baughman R.H., Zakhidov A.A., de Heer A.W. Carbon nanotubes - the route toward applications // Science. - 2002. - Vol. 297. - P. 787-792 // DOI: 10.1126/science.1060928.
5. Mansurov Z.A., Shabanova T.A., Mofa N.N. Synthesis and technologies nanostructured materials: Textbook. - Almaty: Kazak University, 2012. - 318 P.
6. Huynh C.P., Hawkins S.C. Understanding the synthesis of directly spinnable carbon nanotube forests // Carbon. - 2010. - Vol. 48, № 4. - P. 1105-115 // DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.032.
7. Abdel-Fattah T., Siochi E.J., Crooks R.E. Pyrolytic synthesis of carbon nanotubes from sucrose on a mesoporous silicate // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. - 2006. - Vol. 14, № 4.
- P. 585-594.
8. Endo M., Hayashi T. and Y. Kim. Large-scale production of carbon nanotubes and their applications // Pure Appl. Chem. - 2006. - Vol. 78, № 9. - P. 1703-1713 // DOI: 10.1351/pac200678091703.
9. Trofimov N.A. Nanotube-based technologies: industrial applications and market products // Science abroad. - 2012. - № 11. - P. 1-25.
10. Yu M.F., Files B.S., Arepalli S., Ruoff R.S. Tensile loading of ropes of single wall carbon nanotubes and their mechanical properties // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 84, № 24. - P. 5552-5555 // DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.5552.
11. Seetharamappa J., Yellappa Sh. and D' Souza F. Carbon Nanotubes: Next Generation of Electronic Materials // The Electrochemical Society Interface Summer. - 2006. - Vol. 15, № 2. - P. 22-25, 61.
12. Zolotukhin I.V. Carbon nanotubes//Soros Educational Journal.-1999.- № 3.- P. 111-113.
13. Zhang T., Kumari L., Du G.H., Li W.Z., Wang Q.W., Balani K., Agarwal A. Mechanical properties of carbon nanotube - alumina nanocomposites synthesized by chemical vapor deposition and spark plasma sintering // Composites: Part A. - 2009. - Vol. 40. - P. 86-93 // DOI:10.1016/j.compositesa.2008.10.003.
14. Haruyama J., Takesue I., Kobayashi N. et al. Superconductivity in Entirely End-Bonded Multiwalled Carbon Nanotubes // Physical Review Letters. - 2006. -Vol. 5. - P. 96-99.
15. Yasuda E., Inagaki M., Kaneko K., Oya A. and Tan Y. Carbon alloys: Novel concept to develop carbon science and technology. - 1st edition. - Elsevier, 2003. - 569 p.
16. Fursikov P.V., Tarasov B.P. Catalytic synthesis and properties of carbon nanofibers and nanotubes // Int. Scientific J. for Alternative Energy and Ecology. - 2004. - № 10 (18). - P. 24-40.
17. Kanoun O., Müller Ch., Benchirouf A., Sanli A., Dinh T.N., Al-Hamry A., Bu L., Gerlach C. and Bouhamed A. Flexible Carbon Nanotube Films for High Performance Strain Sensors (Review) // Sensors. - 2014. - Vol. 14. - P. 10042-10071 // DOI:10.3390/s140610042.
103
18. Baughman R.H., Zakhidov A.A., de Heer W.A. Carbon Nanotubes - the Route Toward Applications // Science. - 2002. - Vol. 297. - P. 787-792.
19. Naidu P.K., Pulagara N.V., Dondapati R.S. Carbon Nanotubes in Engineering Applications // Progress in Nanotechnology and Nanomaterials. - 2014. - Vol.3, Is.. 4. - P. 79-82.
20. Eletskii A.V. Carbon nanotubes and their emission properties (Review) // The successes of the physical sciences. - 2002. - Vol. 172, № 4. - P. 401-438.
21. Chen Zh., Kim D.Y., Hasegawa K., Osawa T., Noda S. Over 99.6 wt %-pure, sub-millimeter-long carbon nanotubes realized by fluidized-bed with careful control of the catalyst and carbon feeds // CARBON. - 2014. - Vol. 80. - P. 339-350 // DOI: 10.1016/j.carbon.2014.08.072.
22. K. Hasegawa and S. Noda. Lithium ion batteries made of electrodes with 99 wt. %o active materials and 1 wt. % carbon nanotubes without binder or metal foils // J. Power Sources 321, 155-162 (2016).
СВС-ЭКСТРУЗИЯ КОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ TiB-Ti, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДОБАВКАМИ НАНОРАЗМЕРНОГО AlN
Болоцкая А.В. аспирантка, Михеев М.В., Бажин П.М., Столин А.М.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук, Черноголовка,
moon@ism ac. ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2018-10053
В настоящее время все большей популярностью пользуются композиционные материалы на основе титана и его соединений. Материалы на основе моноборида титана применяются в автомобильной и ракетостроительной промышленности, благодаря уникальному сочетанию высокой твёрдости и жаропрочности [1,2].
Материалы на основе моноборида титана в основном получают методами порошковой металлургии или классическим литьём. Получение материала по данным технологиям, затруднено в связи с рядом проблем, возникающих при его производстве, связанных с несовершенством технологических операций [3]. Наличие остаточной пористости в конечном материале является большим производственным недостатком. Эту проблему можно решить с помощью технологии СВС-экструзии, благодаря которой можно получать компактные материалы с пористостью менее 5% [4].
В данной работе рассматривается получение моноборида титана методом СВС-экструзии, с введённым в исходную шихту нанопорошком AlN. Наноразмерный нитрид алюминия получали по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [5].
